Худшее/лучшее предсказание в физике [Veritasium]

Вот сайт с шаурмой.

Сколько энергии в пустом пространстве? По расчетам в кубическом сантиметре — 10 в минус восьмой степени эрг. То есть, очень мало. Взмах крыльев комара или мухи — это примерно 1 эрг энергии, а в кубическом сантиметре пустого пространства — 1 100 миллионная часть эрго.

Но почему кто-то считает, что в абсолютном вакууме есть энергия? На этом у науки есть две причины. Первая заключается в ускоренном расширении вселенной, вызванном заполняющей все пространство тёмной энергией, которая испытывает гравитационное отталкивание. Для нас привычно, что гравитация — это притяжение объектов друг к другу. Эйнштейн полагал, что так она действует именно на материю. А если мы возьмем энергию пространства, гравитация начнет отталкивать.

Если в кубическом сантиметре и правда 10 в минус восьмой эрг, то все сходится: темная энергия разгоняет вселенную с постоянным ускорением. Второй аргумент касается энергии пустого пространства: она не совсем пустое. По законам квантовой механики частицы должны появляться и исчезать. Вот потому-то в вакууме и есть энергия. В одну секунду мы смотрим, отворачиваемся, потом опять смотрим — никаких частиц. Но это не означает, что их не было тогда, когда мы отворачивались. Что-то могло быть. Эти частицы называют виртуальными.

Их обнаружили при анализе излучения света возбужденными атомами водорода. Цветовой спектр излучения различных веществ объяснил Нильс Бор в своей модели атома, где электрон вращается вокруг ядра по разрешенным орбитам разной энергии. При переходе на орбиту более низкого уровня электрон излучает энергию, которая, как и цвет излучения, зависит от разницы в энергии уровней.

С развитием квантовой теории на смену орбитам Бора пришли вероятностные электронные облака, но энергетические уровни остались. В сорок седьмом году О'Слимп и его аспирант Роберт Резерфорд проверили квантовое уравнение Дирака — одной из самых смелых предположений на тот момент. Они с небывалой точностью измерили энергетические уровни в атоме водорода. Полученные результаты в теорию не укладывались: один из уровней оказался расщеплен. В нем уместилось сразу два смежных уровня. Этот эффект назвали лимбабским сдвигом.

С помощью микроволн электрон заставили перепрыгнуть на уровень выше. Но почему вместо одного уровня там их оказалось два? Все из-за виртуальных частиц. Например, вокруг протона возникают и исчезают электронно-позитронные пары частиц. Это допускается квантовой теорией при условии, что пара исчезает быстро: отрицательный электрон притягивается к положительному протону, а позитрон отталкивается, так что заряд протона оказывается окружен слоем виртуальных электронов.

Из-за этого энергия распределяется по двум s-орбиталям, где электрон находится ближе к ядру не так, как по двум p-орбиталям. Это и приводит к энергетическому расщеплению уровня. Это только один из факторов, которые приводят к сдвигу. Для полноценного расчета строят диаграммы Фейнмана, которые описывают все возможные взаимодействия реальных и виртуальных частиц. После чего факторы складываются. Их бесконечно много, этих диаграмм.

Так что же получается? Эта теория не дает предсказаний, раз уж для этого нужно сложить бесконечно много чисел. Разберемся. Вот у нас есть две вершины, где фотон сталкивается с электроном. С этими точками связано альфа — постоянная тонкой структуры, она равна 1/137. Значение небольшое, классический фактор — главный член уравнения — сам по себе уже малое число. Если взять более сложные диаграммы, где вершин больше двух, да и самих диаграмм становится все больше и больше, они усложняются и усложняются.

Вот у нас альфа в квадрате, в кубе, в четвертой степени. Изначально число все меньше и меньше. Чем сложнее диаграммы, чем их больше, тем меньше виртуальные частицы влияют на энергетические уровни атома. Следуя уравнению Дирака и учитывая эффекты виртуальных электронов, позитронов и фотонов, мы можем вычислить параметры атома с точностью выше одной миллиардной. Это потрясающе! Лоуренс Краусс назвал это лучшим и самым точным расчетом в истории науки.

А раз виртуальные частицы так важны, то разве можно усомниться в их существовании? Но никто не наблюдал их напрямую. Это даже теоретически невозможно. Сложно говорить о виртуальных частицах, ведь их нельзя описать так, как мы описываем реальные частицы. Они могут двигаться против направления своего импульса и вести себя совсем не типично для любых обычных частиц.

Странная ситуация: виртуальные частицы необходимы для вычислений, но их нельзя напрямую увидеть. Хотя, может быть, проблема надумана и все это следствие ошибочного представления о мире. Возможно, в качестве кирпичиков вселенной правильнее рассматривать не частицы, а поля. Сейчас считается, что квантовая теория поля наилучшим образом на фундаментальном уровне объясняет мир.

Если говорить о физике элементарных частиц, об электронах, миллионах и кварках, для современных ученых все это колебания полей. Фотон — это колебание электромагнитного поля, по аналогии есть поля электронов, нейтрино, а верхних кварков, топ-кварков и так далее. Эти поля заполняют пространство и обычно находятся в состоянии покоя, а при их колебаниях мы видим движение отдельных частиц.

На этой анимации виртуальные частицы — это квантовые колебания, небольшая рябь в квантовом поле. Они взаимодействуют с реальными частицами, но сами не поддаются измерению. И если они повсюду, то должны наполнять вакуум энергией. Если посчитать весь объем энергии в вакууме, который дают виртуальные частицы, сколько примерно получится? Здесь есть проблема.

По предварительным расчетам в кубическом сантиметре должно быть 10 в 112 эрг, а мы видим 10 в минус восьмой. У нас расчетная плотность энергии в 10 в 120 степени раз больше, чем в реальности. Так что получается, предварительные расчеты абсолютно неверны. Вот только непонятно, почему космологическая постоянная влияет на вселенную совсем не так, как мы ожидаем, исходя из своих предсказаний об устройстве вакуума, если, конечно, это вообще как-то связано.

Но как два таких разных теоретических предсказания — лучшие и худшие — могут вытекать из одной и той же физики виртуальных частиц? Один эксперимент полностью подтверждает теорию, а другой прочие опровергает. Во многих сферах жизни мы избегаем таких просчетов, но в науке получается интересный парадокс. Это говорит о том, что мы пока еще не нашли какую-то часть пазла. И чтобы чуть больше понять вселенную, нужно решить эту задачу. Так уж вышло, что это лучший ориентир для дальнейшей работы. В общем, мы не знаем – и это хорошо. Сомневаться всегда полезно.

Переведено и озвучено студией Вирт Дай Дар.